高比例可再生能源系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用與展望

文 | 王曉

作者系中電建西勘院新能源工程院規(guī)劃研究中心副主任

高比例新能源意味著更大的責(zé)任，儲(chǔ)能就是實(shí)現(xiàn)責(zé)任的基礎(chǔ)。

近年來(lái)，可再生能源開(kāi)發(fā)迎來(lái)了持續(xù)的高速增長(zhǎng)，隨著行業(yè)的不斷進(jìn)步，高比例可再生能源電力系統(tǒng)也逐步從部分的區(qū)域電網(wǎng)擴(kuò)展至全國(guó)范圍?？稍偕茉措娏康难杆僭黾?，對(duì)能源系統(tǒng)的建設(shè)提出了新的要求。

首先，從能量的功率平衡角度來(lái)說(shuō)，光伏、風(fēng)電等增長(zhǎng)較快的可再生能源發(fā)電形式，存在隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性的特點(diǎn)。且從電量平衡角度考慮，新能源的年利用小時(shí)數(shù)普遍偏低。

舉例來(lái)說(shuō)，全國(guó)所有風(fēng)電的年平均利用小時(shí)數(shù)大約只有2000小時(shí)左右，而光伏的年利用小時(shí)數(shù)，大概不到1300小時(shí)。但是像江蘇省這樣的東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)——也是電力主要的負(fù)荷端——最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)達(dá)到6000多小時(shí)。

這樣的現(xiàn)狀就導(dǎo)致了一個(gè)困境：如果新能源在功率層面與負(fù)荷端達(dá)成匹配，由于利用小數(shù)的巨大差異，會(huì)導(dǎo)致新能源的電量只能占到20%到30%的比例；如果是新能源的電量達(dá)到50%到60%的水平，那么意味著新能源的裝機(jī)規(guī)模要更大，就存在大量新能源高發(fā)時(shí)段是在非負(fù)荷高峰時(shí)——例如晚間——段的問(wèn)題。

因此，高比例可再生電力系統(tǒng)需要大容量、高功率、低成本，且能夠應(yīng)對(duì)瞬時(shí)、小時(shí)級(jí)甚至長(zhǎng)周期，不同層次調(diào)峰需求的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)支撐，滿(mǎn)足不同調(diào)峰需求。也就是說(shuō)，儲(chǔ)能系統(tǒng)要解決供需匹配、安全可控等問(wèn)題，并為機(jī)制革新提供技術(shù)支撐。

儲(chǔ)能商業(yè)化現(xiàn)狀和發(fā)展前景

首先我們要明確：儲(chǔ)能環(huán)節(jié)可以有效地為能源系統(tǒng)提供穩(wěn)定性、可控性和靈活性，使得能源供需匹配性更強(qiáng)，運(yùn)行安全性更高，利用方式更加靈活便利，是高比例可再生能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能需求，并進(jìn)一步優(yōu)化的重要助力。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，是新能源裝機(jī)迅速發(fā)展的重要保障。甚至可以說(shuō)它是新能源裝機(jī)和電量達(dá)到我們中遠(yuǎn)期目標(biāo)的前提條件。

儲(chǔ)能技術(shù)按原理可以分為很多種。現(xiàn)在進(jìn)入商業(yè)化階段的儲(chǔ)能形式主要還是電儲(chǔ)能、抽水蓄能和多元儲(chǔ)能三類(lèi)。雖然這些儲(chǔ)能技術(shù)在不斷的發(fā)展，儲(chǔ)能的成本也在不斷的降低，但面對(duì)我國(guó)數(shù)千GWh的儲(chǔ)能需求，現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化的技術(shù)實(shí)際上還是存在著成本相對(duì)過(guò)高、建設(shè)條件苛刻、技術(shù)尚不完全成熟等問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，還待進(jìn)一步的推進(jìn)。

一些新興儲(chǔ)能技術(shù)也在發(fā)展。這包括儲(chǔ)熱/儲(chǔ)冷技術(shù)，新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，高能超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)等。而且這些儲(chǔ)能技術(shù)都有著明確、清晰的創(chuàng)新路徑，也能夠根據(jù)各自不同的特點(diǎn)，適用不同容量的儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景。

但整體來(lái)說(shuō)，這些技術(shù)處于小試、中試或者研發(fā)階段，還需要繼續(xù)攻關(guān)，對(duì)于我們的迫切需求來(lái)說(shuō)還稍微有點(diǎn)差距。

在應(yīng)用場(chǎng)景方面，儲(chǔ)能技術(shù)在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)均可以與可再生能源系統(tǒng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。為了更好的匹配現(xiàn)有技術(shù)水平與應(yīng)用需求的差異，中電建西勘院新能源工程院結(jié)合實(shí)際的可再生能源項(xiàng)目，積極尋求相關(guān)的技術(shù)解決方案，開(kāi)展了多層次、多技術(shù)路線(xiàn)的儲(chǔ)能應(yīng)用探索。

通過(guò)各種儲(chǔ)能技術(shù)與可再生能源的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步和轉(zhuǎn)換，進(jìn)而助力高比例可再生能源系統(tǒng)的建設(shè)。進(jìn)行了光熱等儲(chǔ)能型電站的建設(shè)和示范；因地制宜的完成了多種電源和多種儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的組合外送規(guī)劃；研究了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的源網(wǎng)荷儲(chǔ)匹配優(yōu)化。我們也開(kāi)展了多種領(lǐng)先技術(shù)的工程應(yīng)用，并形成了大量的技術(shù)成果。

應(yīng)用案例與探索

中電建西勘院新能源工程院是國(guó)內(nèi)最早涉足新能源行業(yè)的單位之一，承擔(dān)多項(xiàng)標(biāo)志性項(xiàng)目，編寫(xiě)多項(xiàng)國(guó)家及行業(yè)規(guī)范。并依托多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，開(kāi)展可再生能源+儲(chǔ)能技術(shù)的工程應(yīng)用。我們致力于各類(lèi)基于新能源的儲(chǔ)能電站建設(shè)示范以及不同儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用和互補(bǔ)。

首先，我們?cè)簢L試采用了鋰離子電池和鉛碳電池等多種電池形式，設(shè)計(jì)了包括西藏雙湖縣可再生能源局域網(wǎng)工程，西藏尼瑪縣可再生能源局域網(wǎng)工程等高寒、高海拔、高難度的標(biāo)志性工程。并在積極策劃和探索各種電池技術(shù)路線(xiàn)、配置方式、控制優(yōu)化等方面的實(shí)證工作，推動(dòng)電儲(chǔ)能的快速發(fā)展和合理使用。

在熔鹽儲(chǔ)熱方面，我們參與了中電建青海共和50MW光熱項(xiàng)目，為我國(guó)首批光熱示范項(xiàng)目中第三座并網(wǎng)的塔式光熱電站，儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為6小時(shí)，設(shè)計(jì)年利用小時(shí)數(shù)為3138小時(shí)。

在探索中我們發(fā)現(xiàn)，熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)有著非常鮮明的特點(diǎn)。首先就是熔鹽在40年的使用時(shí)間里可以做到完全的無(wú)衰減，循環(huán)次數(shù)也沒(méi)有限制。其次，由于它是通過(guò)泵以及后端的汽輪機(jī)發(fā)電來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，控制和監(jiān)測(cè)要比電化學(xué)儲(chǔ)能要容易很多，而且規(guī)模可以更大。目前的示范項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)6小時(shí)儲(chǔ)能，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)電的規(guī)模大概是在300GWh左右。而國(guó)內(nèi)最大的光熱儲(chǔ)能項(xiàng)目規(guī)模大概在1.1GWh左右。

項(xiàng)目并網(wǎng)之后，現(xiàn)在正處于發(fā)電量的調(diào)升和測(cè)試階段，當(dāng)前最大日發(fā)電量為539兆瓦時(shí)。同時(shí)光熱電站設(shè)計(jì)之初就定位為匹配電源，所以我們也進(jìn)行了低負(fù)荷運(yùn)營(yíng)測(cè)試?，F(xiàn)在50兆瓦的電站基本上可以做到15%到20%的低負(fù)荷運(yùn)行，這也為我們后期進(jìn)行能源互補(bǔ)提供了實(shí)踐的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

除了儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱的探討之外，我們還在進(jìn)行儲(chǔ)氫的探索。我們對(duì)儲(chǔ)氫的定位是可以成為更加靈活使用的環(huán)節(jié)。目前在多能互補(bǔ)項(xiàng)目中，問(wèn)題在于電源端很難與負(fù)荷端進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配。氫能的出現(xiàn)就增加了電力靈活消納的能力?；谶@樣的考慮，我們開(kāi)展了技術(shù)儲(chǔ)備，承擔(dān)了陜西省、安徽省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等多個(gè)區(qū)域的氫能發(fā)展研究規(guī)劃或氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究。積極探索包括可再生能源電解水制氫、定日鏡熱化學(xué)制氫，等氫能生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用與新能源結(jié)合的新模式。

基于我們對(duì)各種技術(shù)路線(xiàn)不同的研究和儲(chǔ)備，我們?cè)诎l(fā)電側(cè)和用戶(hù)側(cè)也進(jìn)行了高比例可再生能源的探索。通過(guò)基地級(jí)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，為大電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性提供了支撐，提高了新能源的消納能力。

中電建西勘院新能源工程院參編的青海海西州和海南州千萬(wàn)千瓦級(jí)可再生能源基地規(guī)劃，結(jié)合區(qū)域內(nèi)光伏、風(fēng)電、光 熱等清潔能源，輔以抽水蓄能電站，開(kāi)展了多種能源，多種儲(chǔ)能形式，相互配合的高比例可再生能源系統(tǒng)研究，有力助推了相關(guān)外送通道的落地工作。多能互補(bǔ)方面我們積極研究，考慮設(shè)計(jì)和運(yùn)維的問(wèn)題，同時(shí)基于不同應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行邏輯，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)優(yōu)化。

在需求更加多樣的用戶(hù)側(cè)，中電建西勘院新能源工程院積極探索以綜合能源系統(tǒng)為代表的區(qū)域電、熱、冷、氣、水多能源一體化的解決方案，打破不同能源品種單獨(dú)規(guī)劃、單獨(dú)設(shè)計(jì)、單獨(dú)運(yùn)行的傳統(tǒng)模式，為系統(tǒng)的耦合優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。依托實(shí)際項(xiàng)目，以?xún)?chǔ)能系統(tǒng)的集成和管控方式為核心，研究多能流的合理供需匹配，通過(guò)儲(chǔ)熱、儲(chǔ)電、儲(chǔ)氫等多個(gè)環(huán)節(jié)的組合和轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)能源系統(tǒng)的高效利用和合理供給。

伴隨著雙碳目標(biāo)的提出，我國(guó)的可再生能源發(fā)展迎來(lái)了一個(gè)新機(jī)遇。在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)當(dāng)中，可再生能源產(chǎn)業(yè)必定占據(jù)更大份額，同時(shí)承擔(dān)更大的責(zé)任。儲(chǔ)能系統(tǒng)是可再生能源系統(tǒng)不斷提升電源品質(zhì)，提高能源利用率的關(guān)鍵。

將儲(chǔ)能技術(shù)與大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等多種新技術(shù)結(jié)合，可以探索創(chuàng)新性的高比例可再生能源系統(tǒng)建設(shè)模式，提升系統(tǒng)性能和調(diào)度能力。希望通過(guò)產(chǎn)學(xué)研多個(gè)層面的密切配合，能夠共同推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步，為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)貢獻(xiàn)力量。